李向陽 吳世臣 李鐘曉

（山東航天電子技術(shù)研究所，山東煙臺(tái) 264670）

1 引言

無線能量傳輸（Wireless Power Transmission，WPT）系統(tǒng)是指不依賴能源輸送線，利用微波、激光等無線手段，向特定環(huán)境下工作的目標(biāo)機(jī)器提供能源支持，使其順利完成指定任務(wù)的能源輸送系統(tǒng)。目前，盡管無線能量傳輸?shù)男实陀谟芯€傳輸，但浩瀚的宇宙空間是無法鋪設(shè)電力傳輸線的，而無線能量傳輸技術(shù)成為向遠(yuǎn)端供電的唯一選擇。當(dāng)前美國國家航空航天局、日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)、歐洲航天局等紛紛開展了無線能量傳輸技術(shù)的研究。2002年，德國開展了激光驅(qū)動(dòng)小車驗(yàn)證試驗(yàn)。2006年日本近畿大學(xué)開展了室內(nèi)電動(dòng)風(fēng)箏和直升機(jī)激光供能試驗(yàn)。2009年美國開展了激光驅(qū)動(dòng)太空電梯試驗(yàn)，2012年美國洛克希德-馬丁公司與美國激光動(dòng)力公司成功試驗(yàn)了一種新型激光能量傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)“潛行者”（Stalker）無人機(jī)室外無線充電。2014年中國山東航天電子技術(shù)研究所首次實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)飛艇之間的激光無線能量傳輸試驗(yàn)。隨著無線能量傳輸技術(shù)的發(fā)展，在向衛(wèi)星、機(jī)器人、空間探測(cè)巡視器等類似平臺(tái)供電方面將得到越來越多的應(yīng)用，并將有力促進(jìn)航天技術(shù)的發(fā)展。

本文主要對(duì)無線能量傳輸技術(shù)的分類、應(yīng)用需求進(jìn)行了介紹，并以激光無線能量傳輸系統(tǒng)為例，對(duì)系統(tǒng)組成、關(guān)鍵技術(shù)以及未來的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

2 無線能量傳輸技術(shù)分類及應(yīng)用需求

目前，實(shí)現(xiàn)無線能量傳輸?shù)姆绞街饕?種：感應(yīng)耦合、磁場(chǎng)共振、激光、微波等不同形式［1-2］，如圖1所示。

圖1 無線能量傳輸方式Fig．1 Wireless power transmission methods

4種能量傳輸手段各有特點(diǎn)，其中，電磁感應(yīng)傳能和磁場(chǎng)共振耦合傳能的方式在近距離情況下可以獲得較理想的傳輸效率，而隨著傳輸距離的增加，其效率迅速下降，在較遠(yuǎn)距離情況下能量損耗比較嚴(yán)重；微波無線能量傳輸技術(shù)可實(shí)現(xiàn)中遠(yuǎn)距離能量傳輸，其突出優(yōu)點(diǎn)是大氣穿透能力強(qiáng)，傳輸功率大，但微波手段的發(fā)射和接收天線尺寸都較大，對(duì)電子設(shè)備有強(qiáng)電磁干擾，同時(shí)由于彌散與不期望的吸收與衰減，傳輸效率相對(duì)較低，限制了微波無線能量傳輸技術(shù)的應(yīng)用；激光無線能量傳輸技術(shù)以大功率激光光束為能量介質(zhì)，利用光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)能量傳輸，適于中遠(yuǎn)距離無線能量傳輸。由于激光光束發(fā)散角度小、能量密度大，傳輸和接收設(shè)備口徑較小，非常適合于空間應(yīng)用。但是激光在穿越大氣時(shí)，由于波長短，受大氣影響嚴(yán)重（激光透過率最高為0．8，微波為0．9），因而對(duì)傳輸效率的影響很大。雖然中紅外波段大氣窗口（3～5μm，8～14μm）可以減弱大氣影響，但目前該波段的大功率激光器的效率較低。而近年來大功率、新型激光發(fā)射器技術(shù)、高效率光電轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展，為激光無線能量傳輸技術(shù)的進(jìn)一步研究應(yīng)用提供了現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)。

2．1 適合于空間在軌操控的無線能量傳輸

當(dāng)前空間在軌活動(dòng)日益增多，包括交會(huì)對(duì)接、航天員出艙活動(dòng)、在軌維護(hù)與服務(wù)等。在越來越多的空間非固定活動(dòng)中，需要解決對(duì)靈活軌道設(shè)備的能量供給問題。而無線能量傳輸在實(shí)現(xiàn)對(duì)空間機(jī)械臂、航天員出艙活動(dòng)工具、在軌更換單元（ORU）等在軌操控設(shè)備（圖2）能量供給方面，提供了快速、方便的解決手段，根據(jù)感應(yīng)耦合、磁場(chǎng)共振和激光無線能量傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，可提供近、中、遠(yuǎn)不同距離上的解決方案。

感應(yīng)耦合電能傳輸采用非接觸的變壓器線圈傳能，具有較高的傳輸效率，可以能源模塊的形式方便地進(jìn)行ORU 設(shè)備能量交換；磁場(chǎng)共振式無線能量傳輸系統(tǒng)，具有使能量傳輸通道繞過金屬的突出特點(diǎn)，可采用基站安裝能量主發(fā)射線圈，而各個(gè)接收部分安裝諧振線圈的無線能量傳輸方式，用于機(jī)械臂關(guān)節(jié)、出艙活動(dòng)工具的無線供能；激光無線能量傳輸系統(tǒng)以其體積小、質(zhì)量輕、傳輸距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，可用于對(duì)伴飛衛(wèi)星、維護(hù)衛(wèi)星等進(jìn)行遠(yuǎn)距離的無線電能供給。

圖2 在軌操控示意圖Fig．2 Space operation on orbit

2．2 航天器傳感器網(wǎng)絡(luò)中的無線能量傳輸

目前，隨著空間任務(wù)的擴(kuò)展，航天器組成和結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，航天器在發(fā)射、運(yùn)行及回收過程中，其系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)可為航天器故障評(píng)估處理、重復(fù)使用檢測(cè)、新型航天器設(shè)計(jì)等提供重要的信息支持。而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將在航天器健康監(jiān)測(cè)中發(fā)揮重要作用，同時(shí)在深空探測(cè)領(lǐng)域，可以使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行行星環(huán)境的探測(cè)，借助于航天器布撒的傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)星球表面大范圍、長時(shí)期、近距離的監(jiān)測(cè)和探索。圖3所示為NASA 的空間探索計(jì)劃無線傳感網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)傳輸單元和電源管理單元等組成。目前電源管理單元一般采用微型紐扣電池供電，其壽命將影響到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的壽命，而無線能量傳輸技術(shù)為這一關(guān)鍵問題提供了很好的解決途徑。通過采用磁場(chǎng)共振式無線能量傳輸方式，可方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)分布于各處的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電。該技術(shù)的運(yùn)用為整星健康狀態(tài)的感知提供了有效解決手段，可滿足在軌應(yīng)用的需求［3］。

圖3 NASA 空間探索計(jì)劃無線傳感網(wǎng)絡(luò)Fig．3 NASA wireless sensor net in space exploration project

2．3 衛(wèi)星之間無線能量傳輸

分布式可重構(gòu)衛(wèi)星是由多個(gè)模塊化航天器編隊(duì)飛行構(gòu)成的新型航天器，具有任務(wù)可重構(gòu)、抗損能力強(qiáng)的突出特點(diǎn)。由于模塊化航天器體積、質(zhì)量、功能和組成受限，集群飛行的能量供給成為制約技術(shù)發(fā)展的難題。無線能量傳輸技術(shù)可應(yīng)用于分布式可重構(gòu)衛(wèi)星［4］、多個(gè)衛(wèi)星組成的編隊(duì)飛行中，一旦某一衛(wèi)星出現(xiàn)能源采集系統(tǒng)故障，或者因遮擋等因素?zé)o法采集太陽光能源時(shí)，其他正常工作的衛(wèi)星就可以采用無線方式為其輸送能源，保證每個(gè)衛(wèi)星的能量供給，如圖4所示。該技術(shù)可有效提高衛(wèi)星系統(tǒng)在軌修復(fù)的可行性，延長衛(wèi)星壽命，降低衛(wèi)星成本。鑒于航天器間的距離較遠(yuǎn)，目前可行的方案集中于激光無線能量傳輸和微波無線能量傳輸兩種方式。

圖4 分布式衛(wèi)星無線能量傳輸示意圖Fig．4 WPT on fractionated satellites

2．4 星地之間無線能量傳輸

無線能量傳輸技術(shù)還可應(yīng)用于空間太陽能電站。1968年，P．E．Glaser首次提出了在地球同步軌道上建造太陽能發(fā)電衛(wèi)星的概念，以滿足天基和地基的電力需求，如圖5所示。這就需要在地球同步軌道到地面的36 000km 距離上建立無線能量傳輸通道。目前，各國專家將研究重點(diǎn)集中在微波和激光兩種無線能量傳輸方式上［5-6］。

圖5 太陽能發(fā)電衛(wèi)星示意圖Fig．5 WPT on space power station

2．5 深空探測(cè)無線能量傳輸

無線能量傳輸技術(shù)可應(yīng)用于載人登月及其他深空探測(cè)任務(wù)，如使用著陸器給巡視器等移動(dòng)設(shè)備供給能量、月球基地與電站之間能源供給（圖6）、月球衛(wèi)星與著陸器之間的能源供給等，為巡視器無線供能能夠極大拓展巡視器的活動(dòng)范圍。

圖6 月球基地示意圖Fig．6 WPT on lunar base

2．6 無人機(jī)無線能量傳輸

無人機(jī)具有體積小、質(zhì)量輕、機(jī)動(dòng)性好、飛行時(shí)間長和便于隱蔽等特點(diǎn)，特別適用于執(zhí)行危險(xiǎn)性大的任務(wù)。當(dāng)前，無人機(jī)逐漸成為作戰(zhàn)、偵察及民用遙感的飛行平臺(tái)。小型無人機(jī)大多使用電力發(fā)動(dòng)機(jī)，一般由鋰電池來驅(qū)動(dòng)，然而電池的能量密度遠(yuǎn)低于燃油，嚴(yán)重限制了無人機(jī)的續(xù)航性能。而無線能量傳輸技術(shù)的發(fā)展為提高無人機(jī)的續(xù)航能力提供了一種有效的解決方法，其中采用激光方式是目前實(shí)現(xiàn)電動(dòng)無人機(jī)無線傳能的首選，又稱為激光射束驅(qū)動(dòng)無人機(jī)技術(shù)（圖7）［7］。

圖7 無人機(jī)激光無線能量傳輸示意圖Fig．7 WPT on unmanned aerial vehicle

無線能量傳輸技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用正在逐步拓展，而隨著技術(shù)的成熟及應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，在構(gòu)建無線通信網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)，可構(gòu)建一個(gè)無線能量傳輸網(wǎng)絡(luò)，將使航天技術(shù)的設(shè)計(jì)理念發(fā)生根本性的變化；同時(shí)，在我國空間科學(xué)探測(cè)、空間遙感、在軌維護(hù)、新能源利用等重大科技需求中，將進(jìn)一步加強(qiáng)空間無線能量傳輸技術(shù)的研究，為未來空間飛行器的新型能源供應(yīng)及有效利用太陽能等奠定良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

3 激光無線能量傳輸系統(tǒng)組成及關(guān)鍵技術(shù)

激光無線能量傳輸技術(shù)（LWPT）是以激光光束為能流量傳輸載體，利用發(fā)射端電光轉(zhuǎn)換、接收端光電轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)電能的無線傳輸。系統(tǒng)主要由激光發(fā)射模塊、激光接收模塊、激光傳輸控制模塊、能源管理模塊等組成，如圖8所示。涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括無線能量傳輸總體設(shè)計(jì)技術(shù)、高效高光束質(zhì)量的激光發(fā)射器技術(shù)、高效激光—電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)、能源管理技術(shù)和激光光束控制技術(shù)等。

圖8 激光無線能量傳輸系統(tǒng)示意圖Fig．8 Fame of LWPT system

3．1 無線能量傳輸總體設(shè)計(jì)技術(shù)

需要對(duì)無線能量傳輸?shù)墓β省⑿屎途嚯x的相互耦合關(guān)系進(jìn)行研究，達(dá)到發(fā)射、接收之間的最佳匹配，使系統(tǒng)具有最高的傳輸效率，涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括激光無線能量傳輸波長、光電材料選擇，傳輸途徑設(shè)計(jì)，衛(wèi)星平臺(tái)影響等因素的分析及仿真驗(yàn)證。

3．2 高效、高光束質(zhì)量的激光發(fā)射器技術(shù)

激光無線能量傳輸系統(tǒng)的發(fā)射端主要采用大功率激光器，如光纖耦合輸出的半導(dǎo)體激光器等。需要根據(jù)激光器的特點(diǎn)分析其遠(yuǎn)場(chǎng)分布特性，研究高功率激光器陣列的光束變換技術(shù)和激光器陣列準(zhǔn)直的微透鏡結(jié)構(gòu)。

此外，由于熱功耗引起的半導(dǎo)體激光器有源區(qū)的溫升會(huì)使激光器轉(zhuǎn)換效率下降，閾值電流上升，輸出功率減小，激光波長漂移，甚至?xí)氐讱募す馄?，因此需要?duì)大功率激光器進(jìn)行溫度控制，特別是針對(duì)空間應(yīng)用的特殊環(huán)境，研究空間激光器的散熱方式。

同時(shí)為在能量接收端獲得高功率密度、高質(zhì)量激光光束，需要對(duì)大功率激光整形、準(zhǔn)直技術(shù)進(jìn)行研究，引入自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)，對(duì)大氣閃爍、波前畸變等進(jìn)行補(bǔ)償。

3．3 高效率激光—電能轉(zhuǎn)換技術(shù)研究

激光—電能轉(zhuǎn)換模塊的工作參數(shù)，主要包括轉(zhuǎn)換效率、工作頻率、輸出功率、工作溫度、面板結(jié)構(gòu)及形狀設(shè)計(jì)、空間環(huán)境影響等。普通太陽能電池是針對(duì)太陽光寬光譜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的，且其在實(shí)際應(yīng)用中有較高的激光反射，不能直接應(yīng)用于激光—電能轉(zhuǎn)換模塊。因此，開發(fā)與激光波長相匹配，具有特定表面限光結(jié)構(gòu)的激光—電能轉(zhuǎn)換器件是實(shí)現(xiàn)激光無線能量傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)之一，其中包括激光—電能轉(zhuǎn)換器件的表面限光結(jié)構(gòu)的研究，半導(dǎo)體激光—電能轉(zhuǎn)化器件的基質(zhì)材料研究，高功率傳輸情況下升溫對(duì)激光—電能轉(zhuǎn)換器件性能的影響等。

在進(jìn)行激光—電能轉(zhuǎn)換過程中，光束能量分布、電池片工作溫度、串／并聯(lián)特性、輸出電壓／電流、面板結(jié)構(gòu)及形狀等都會(huì)影響接收裝置效率，需要根據(jù)光電池特性，結(jié)合激光光束特性，對(duì)高效的激光光電池結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。例如，光電池最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)就是通過一種算法，使光伏電池始終工作在最大功率點(diǎn)狀態(tài)，當(dāng)溫度或者光照影響最大功率點(diǎn)位置的時(shí)候能進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，使光伏電池的輸出功率達(dá)到最大。通過研究激光—電能轉(zhuǎn)換模塊的光伏特性，建立適用于激光無線能量傳輸系統(tǒng)的功率跟蹤算法。

3．4 能源管理技術(shù)研究

通過激光無線傳輸?shù)哪芰啃枰焖俅鎯?chǔ)，以達(dá)到高效傳輸?shù)哪康?。需要研究能源檢測(cè)技術(shù)、能源平衡及能源控制技術(shù)，以提高無線能量傳輸?shù)挠行Ю寐剩婕暗年P(guān)鍵技術(shù)包括能源管理系統(tǒng)組成，能量存儲(chǔ)、能量管理、能量穩(wěn)定輸出等技術(shù)。

3．5 激光光束控制技術(shù)研究

激光光束的波束很窄，對(duì)發(fā)射端和接收端的對(duì)準(zhǔn)提出了更高要求。需要研究激光發(fā)射傳輸控制技術(shù)和編程方案，控制激光束發(fā)射方向，使光束與激光電池板正入射，達(dá)到最高的光電轉(zhuǎn)換效率。需要研究瞄準(zhǔn)、捕獲與跟蹤（APT）系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)、隨機(jī)振動(dòng)等性能對(duì)能量傳輸鏈路的穩(wěn)定性、能量傳輸效率等的影響，為激光無線能量傳輸APT 系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供技術(shù)基礎(chǔ)。

4 激光無線能量傳輸技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

4．1 國內(nèi)外激光無線能量傳輸技術(shù)發(fā)展

國外開展激光無線能量傳輸技術(shù)研究的主要有美國、日本和德國等。目前激光無線能量傳輸技術(shù)仍處于試驗(yàn)階段，多數(shù)為數(shù)十瓦的傳輸功率和數(shù)百米內(nèi)的傳輸距離，受器件、傳輸效率等因素影響很大，至今尚未有實(shí)際裝備應(yīng)用［8-12］。

1997年，日本進(jìn)行了激光無線能量傳輸?shù)牡孛嬖囼?yàn)。激光器為連續(xù)CO2激光器，傳輸距離為500m。試驗(yàn)結(jié)果顯示激光空間傳輸效率約為60%～65%。另外，日本專家使用2cm×2cm 的太陽能電池板接收激光，在808nm 半導(dǎo)體激光器照射下砷化鎵（GaAs）轉(zhuǎn)換效率最高為51%。

2002年德國進(jìn)行了地面激光能量傳輸試驗(yàn)，用激光驅(qū)動(dòng)裝備有光伏電池的小車，采用銣釔鋁石榴石（Nd：YAG）全固態(tài)激光器倍頻輸出532nm 的綠光，激光光束擴(kuò)束后，光束直徑為30～50mm，輸出功率為5 W，光伏電池的轉(zhuǎn)換效率為25%。

2004年，美國設(shè)計(jì)了一種激光無線能量傳輸接收系統(tǒng)，其中透鏡的口徑為3．7cm，將激光匯聚在一個(gè)直徑為4．0mm 的GaAs太陽能電池上。測(cè)試性能顯示，在835nm、功率0．522W 激光照射下，激光-電能轉(zhuǎn)換效率大于56%。

2006年，日本近畿大學(xué)利用激光能量進(jìn)行了機(jī)器人、電動(dòng)風(fēng)箏、直升機(jī)激光供能試驗(yàn)，激光系統(tǒng)由兩個(gè)光纖耦合半導(dǎo)體激光器組成，輸出功率為200 W，波長為808nm，太陽能電池板為直徑30cm 的圓形，由30個(gè)4cm×7cm 的GaAs電池片構(gòu)成。當(dāng)用200 W激光照射時(shí)，太陽能電池板的最大輸出功率為42 W。整個(gè)試驗(yàn)過程中，激光器轉(zhuǎn)化效率為34．2%，GaAs光伏電池的轉(zhuǎn)化效率為21%，整體電-光轉(zhuǎn)化效率為7．2%。

2008年，NASA 開展了激光驅(qū)動(dòng)太空電梯的試驗(yàn)。此試驗(yàn)采用半導(dǎo)體激光器，波長為0．84μm，電-光轉(zhuǎn)換效率為70%，光伏電池粘附在電梯上，以3．7m／s的均速最終將電梯送到了900 m 的高空。2012年，美國激光動(dòng)力公司和洛馬公司在風(fēng)洞內(nèi)驗(yàn)證了一種激光充電系統(tǒng)，成功地將“潛行者”（Stalker）無人機(jī)系統(tǒng)的連續(xù)飛行時(shí)間延長到了超過48h，相當(dāng)于“潛行者”自身能力的24倍，超出了最初設(shè)定的耐久目標(biāo)。

NASA 還計(jì)劃采用800～830nm 的激光在航天器之間進(jìn)行無線能量傳輸試驗(yàn)。計(jì)劃利用大功率激光二極管作為發(fā)射源，在“國際空間站”上向空間站外的航天器（如貨運(yùn)飛船等）傳輸電能，試驗(yàn)將分步進(jìn)行，從開始的小功率、短時(shí)間能量傳輸最終擴(kuò)展至大功率、長時(shí)間的無線激光能量傳輸。

國內(nèi)，北京理工大學(xué)主要進(jìn)行了小功率激光能量傳輸?shù)姆抡嫜芯?，通過對(duì)國外相關(guān)文獻(xiàn)的研究，給出了激光無線能量傳輸系統(tǒng)效率的初步模型；清華大學(xué)則對(duì)用于激光無線能量傳輸接收端反射鏡的反饋彌補(bǔ)效果進(jìn)行了研究。

以下重點(diǎn)介紹山東航天電子技術(shù)研究所的情況。山東航天電子技術(shù)研究所對(duì)激光能量傳輸領(lǐng)域高度重視，制定了發(fā)展規(guī)劃，自主投入、大力開展了相關(guān)技術(shù)的研究。“十一五”期間自籌資金開展了民用系統(tǒng)的開發(fā)，研制出無線激光供能系統(tǒng)，給遠(yuǎn)端工作的電子設(shè)備供電，激光工作波長800～830nm，激光器輸出光功率5W，光電轉(zhuǎn)換效率最大可達(dá)40%～50%。“十二五”期間，依托國家863項(xiàng)目，聯(lián)合優(yōu)勢(shì)單位，對(duì)激光無線能量傳輸機(jī)理進(jìn)行了深入研究，并針對(duì)模塊航天器應(yīng)用背景，設(shè)計(jì)研制了一套激光無線能量傳輸系統(tǒng)［13］，系統(tǒng)工作波長810nm，工作距離100～200m，激光輸出光功率28 W，電—電轉(zhuǎn)換效率最大約15%，2014年10月首次進(jìn)行了兩飛艇之間的激光無線能量傳輸試驗(yàn)（如圖9所示），成為國際上首次實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的研究機(jī)構(gòu)。同時(shí)開展了分布式航天器無線能量傳輸、無人駕駛飛機(jī)無線能量傳輸、空間太陽能電站、地外駐留平臺(tái)無線傳能及能源管理的研究工作，掌握了大量關(guān)鍵技術(shù)。未來，山東航天電子技術(shù)研究所將針對(duì)新型激光傳能技術(shù)發(fā)展及其在航天領(lǐng)域擴(kuò)展應(yīng)用方面繼續(xù)深入研究，廣開思路，大力促進(jìn)該技術(shù)的發(fā)展。

圖9 飛艇之間激光無線能量傳輸試驗(yàn)Fig．9 LWPT experiment onboard between airships

4．2 激光無線能量傳輸技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

提高能量傳輸效率、傳輸距離和傳輸功率一直是無線能量傳輸技術(shù)發(fā)展的方向，為了實(shí)現(xiàn)更高的效率、更遠(yuǎn)的距離和更大的功率，未來激光無線能量傳輸技術(shù)也將圍繞以下幾個(gè)方向開展研究。

1）白光激光能量傳輸

利用白光激光或多波長激光模擬日光，對(duì)太陽能電池進(jìn)行激光充電，實(shí)現(xiàn)太陽光和激光能量的復(fù)合利用，使得接收端在獲得激光能量的同時(shí)，可以在平時(shí)或者工作時(shí)間利用太陽光獲得額外的能量，提高能量傳輸系統(tǒng)的工作效率。目前大功率白光激光器技術(shù)還不成熟，最大功率僅為百瓦量級(jí)，且一般光束質(zhì)量較差；而采用多波長傳輸來模擬日光技術(shù)中的波長組成、光強(qiáng)比例，其傳輸效率優(yōu)化方面尚需要大量的試驗(yàn)研究。

2）激光熱能轉(zhuǎn)換技術(shù)研究

目前在進(jìn)行激光能量接收時(shí)，一部分能量被光能轉(zhuǎn)換為電能，大部分剩余能量則以熱的形式被浪費(fèi)掉。對(duì)此可以利用光—熱—電、光—熱—?jiǎng)幽堋姷仁侄螌?shí)現(xiàn)更高效率的電能獲取，以達(dá)到激光能量復(fù)合利用的目的。主要利用光電池易于回收熱能的特點(diǎn)，對(duì)循環(huán)散熱系統(tǒng)和溫差發(fā)電技術(shù)進(jìn)行研究，將損失的能量以熱能和電能的形式回收，可顯著提高系統(tǒng)能量傳輸效率［14-15］。

3）多光束激光能量傳輸

大功率激光器技術(shù)、空間散熱技術(shù)的不足，限制了單路激光發(fā)射的能量，未來空間大功率激光能量傳輸，將采用多光束體制，同時(shí)激光無線能量傳輸分布式應(yīng)用也需要采用多光束體制，來實(shí)現(xiàn)傳能的高效及靈活運(yùn)用，如圖10所示。

4）強(qiáng)激光脈沖傳能

利用強(qiáng)激光短時(shí)間擊穿空氣，使得激光通道上的空氣成為導(dǎo)體，再利用高壓放電原理形成能量發(fā)射端與接收端之間的電弧，接收該電能，實(shí)現(xiàn)中、遠(yuǎn)段距離上的高效電能傳輸。該方法不再進(jìn)行電能—激光—電能轉(zhuǎn)換，而是直接電能—電能轉(zhuǎn)換，本質(zhì)上不是激光能量傳輸，研究重點(diǎn)是如何控制電弧以及電弧能量如何收集［15］。

5）太陽光泵浦激光器傳能

與傳統(tǒng)激光器相比，太陽光泵浦激光器結(jié)構(gòu)簡單，能量轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)少，省略了光—電—光的環(huán)節(jié)，較為可靠（見圖11）。隨著技術(shù)進(jìn)步和轉(zhuǎn)換效率的提高，可以直接用于無線能量傳輸系統(tǒng)中，提高傳輸效率［16］。

圖10 多光束激光無線能量傳輸示意圖Fig．10 Sketch of multi-beam LWPT

圖11 太陽光泵浦激光無線能量傳輸示意圖Fig．11 So1ar pumped solid-state 1aser

5 結(jié)束語

無線能量傳輸技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用前景非常廣泛，可為空間科學(xué)研究、天基遙感和環(huán)境監(jiān)測(cè)等提供技術(shù)先進(jìn)、應(yīng)用靈活的能量獲取手段，可滿足多類重大應(yīng)用需求，使得遙感和空間科學(xué)研究更加方便、快捷。通過航天應(yīng)用引領(lǐng)該技術(shù)的發(fā)展，不但可以用于空間太陽能電站等空間應(yīng)用領(lǐng)域，還可以應(yīng)用于空—地、空—空、地面等多種無線能量傳輸應(yīng)用場(chǎng)合，拓展無人機(jī)、無線傳感、快速充電等多種用電設(shè)備、設(shè)施的應(yīng)用范圍和應(yīng)用模式，具有廣泛的應(yīng)用前景和巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

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